換熱器溫度控制系統(tǒng)

1、.1. E-0101B 混合加熱器設計為確?；旌霞訜崞鳎?E-0101B)中 MN（亞硝酸甲酯） ,CO（一氧化碳）的出口溫度為 408K，選用 0.68Mpa,408K 的加熱蒸汽加熱入口溫度為 294K 的工藝介質(zhì)。為保證生成物的產(chǎn)量，質(zhì)量，及最終生成物的轉(zhuǎn)化率，且工藝介質(zhì)較穩(wěn)定，蒸汽源壓力較小，變化不大，因此針對此實際情況，最后確定設計一個換熱器的反饋控制方案。1.1 換熱器概述換熱器工作狀態(tài)如何 , 可用幾項工作指標加以衡量。 常用的工作指標主要有漏損率、 換熱效率和溫度效率。它們比較全面的說明了換熱器的特點和工作狀態(tài)，在生產(chǎn)和科學試驗中了解這些指標，對于換熱器的管理和改進都是必不可少

2、的。換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，其在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應用廣泛。換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到流程規(guī)定的指標，以滿足工藝條件的需要，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。1.2 換熱器的分類適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結(jié)構(gòu)型式也不同，換熱器的具體分類如下：一 按傳熱原理分類：間壁式換熱器，蓄熱式換熱器，流體連接間接式換熱器，

3、直接接觸式換熱器，復式換熱器二 按用途分類：加熱器，預熱器，過熱器，蒸發(fā)器三、按結(jié)構(gòu)分類：浮頭式換熱器，固定管板式換熱器，U形管板換熱器，板式換熱器等此設計要求是將進料溫度都為297.99K 的 MN（亞硝酸甲酯）和CO（一氧化碳）加熱到出,.口溫度為 473K，所以我們經(jīng)過調(diào)查研究，綜合比較之后選擇了管殼式( 又稱列管式 )換熱器。管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內(nèi)部裝有平行管束或者螺旋管，管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內(nèi)進行換熱的兩種流體，一種在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；一種在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。1.3 換熱器的用途換熱器又

4、叫做熱交換器（heat exchanger ），是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位。進行換熱的目的主要有下列四種：. 使工藝介質(zhì)達到規(guī)定的溫度，以使化學反應或其他工藝過程很好的進行；. 生產(chǎn)過程中加入吸收的熱量或除去放出的熱量，使工藝過程能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行；. 某些工藝過程需要改變無聊的相態(tài)；. 回收熱量。由于換熱目的的不同，其被控變量也不完全一樣。在大多數(shù)情況下，被控變量是溫度，為了使被加熱的工藝介質(zhì)達到規(guī)定的溫度，常常取出溫度問被控溫度、調(diào)節(jié)加熱蒸汽量使工藝介質(zhì)出口溫度恒定。對于不同的工藝要求，被控變量也可以是流量、壓力、液位等。1.4 換熱器

5、的工作原理及工藝流程圖換熱器的溫度控制系統(tǒng)換熱器工作原理工藝流程如下：冷流體和熱流體分別通過換熱器的管程和殼程，通過熱傳導，從而使熱流體的出口溫度降低。熱流體加熱爐加熱到某溫度，通過循環(huán)泵流經(jīng)換熱器的管程，出口溫度穩(wěn)定在設定值附近。冷流體通過多級離心泵流經(jīng)換熱器的殼程。在換熱器的冷熱流體進口處均設置一個調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)冷熱流體的大小。圖 1換熱器溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖從傳熱過程的基本方程式可知，為了保證出口的溫度平穩(wěn)，滿足工藝生產(chǎn)的要求，必須對傳熱量進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)傳熱量有以下幾條途徑：、調(diào)節(jié)載熱體的流量。調(diào)節(jié)載熱體流量大小，其實只是改變傳熱速率方程中的傳熱系,.數(shù) K 和平均溫差 Tm，對于載

6、熱體在加熱過程中不發(fā)生相變的情況，主要是改變傳熱速率方程的熱系數(shù) K；而對于載熱體在傳熱過程中發(fā)生相變的情況，主要是改變傳熱方程中的Tm。、調(diào)節(jié)傳熱平均溫差Tm。這種控制方案滯后較小反應迅速，應用比較廣泛。、調(diào)節(jié)傳熱面積F。這種方案滯后較大，只有在某些必要的場合才采用。 、將工藝介質(zhì)分路。該方案是一部分工藝介質(zhì)經(jīng)換熱, 另一部分走旁路。在設計傳熱設備自動化控制方案時，要視具體傳熱設備的特點和工藝條件而定。而在某些場合，當被加熱工藝介質(zhì)的出口溫度較低，采用低壓蒸汽作載熱體，傳熱面積裕量又較大時，為了保證溫度控制平穩(wěn)及冷凝液排除暢通，往往以冷凝器流量作為操縱變量，調(diào)節(jié)傳熱面積，以保持出口溫度恒定。

7、2. 控制系統(tǒng)2.1 控制系統(tǒng)的選擇由于本次設計的任務控制換熱器被加熱物料出口溫度，工藝過程主要就是冷熱流體熱交換，且外來干擾因素主要是載熱體的流量變化，故選擇單回路控制系統(tǒng)便可以達到預定的控制精度。2.2工藝流程圖和系統(tǒng)方框圖單回路控制系統(tǒng)又稱為簡單控制系統(tǒng)，是有一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個控制器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于分析設計，投資少、便于施工，并能滿足一般的一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此在生產(chǎn)過程中得到廣泛的應用，其方框圖如下圖所示。,.圖 2、 單回路控制系統(tǒng)方框圖其中，被控變量：被加熱物料的出口溫度；操縱變量：載熱體的流量。如圖所示： 測量

8、元件及變送器對冷物料出口溫度進行測量，得到測量值Ym 并傳送給調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器把 Ym 與內(nèi)部給定值Ys 比較得到偏差信號e 按一定的調(diào)節(jié)運算規(guī)律計算出控制信號，并將控制信 u 號傳送給執(zhí)行器，執(zhí)行器接收到控制信號u，自動的改變閥門的開度，改變蒸汽的流量。2.3 、被控對象特性研究換熱器是傳熱設備中較為簡單的一種， 也是最常見的一種。 通常它兩側(cè)的介質(zhì) ( 工藝介質(zhì)和載熱體 ) 在換熱過程中均無相變。 換熱器換熱的目的是保證工藝介質(zhì)加熱 ( 或冷卻 ) 到一定溫度。為保證出口溫度平穩(wěn)，滿足工藝要求，必須對傳遞的熱量進行調(diào)節(jié)。2.4被控變量的選擇影響一個生產(chǎn)過程正常操作的因素很多, 但并非對所有影

9、響因素都要進行控制. 被控參數(shù)是一個輸出參數(shù) , 應為獨立變量 , 與輸入量之間應有單值函數(shù)關(guān)系. 對于換熱器過程控制系統(tǒng),人們最關(guān)心的是對換熱器中介質(zhì)即冷流體的溫度和壓力的自動控制與調(diào)節(jié), 而在這兩項當中 ,溫度的自動調(diào)節(jié)又處于首位. 因為出口水溫直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率及安全性, 即本系統(tǒng)把換熱器出口水溫作為被控參數(shù).2.5操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。將出口溫度維持在一定值，影響冷物料出口溫度的有很多因素，比說冷物料的流量，載熱體的流量，載熱體的溫度等。冷物料是工藝所需要的，不能選用冷物料作為被控變量，而若選載熱體溫度作為操

10、縱變量，改變其溫度還需改變其他工藝過程如鍋爐的溫度，考慮工藝合理性，我選擇對熱流體流量進行控制，保證出口溫度的穩(wěn)定。2.6被控對象特性換熱器系統(tǒng)在連續(xù)生產(chǎn)中，其控制原理可通過熱量平衡方程和傳熱速率方程來分析，這,.個方案的控制流程圖如圖3。圖 3換熱器的溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖為了處理方便，不考慮傳熱過程中的熱損失，根據(jù)能量守恒定律，熱流體失去的熱量應該等于冷流體吸收的熱量，熱量平衡方程為：q=G 1c（1 T1i - T1o） G 2c（2 T2o - T2 i）式中， q 為傳熱速率（單位時間內(nèi)傳遞的熱量） ；G為質(zhì)量流量； c 為比熱容； T 為溫度。式中的下標處 1 為載熱體； 2 為冷

11、流體； i 為入口； o 為出口。傳熱過程中的傳熱速率為：qKFT式中， K 為傳熱系數(shù)； F 為傳熱面積；T 為兩流體間的平均溫差。其中，平均溫差T 對于逆流、單程的情況為對數(shù)平均值：（1- 1）-（2- 2）T1T2T= Ti ToTo Tiln T1iT1olnT1T2oT2iT2當 1T1iT1o3 時，其誤差在 5%以內(nèi)，可采用算術(shù)平均值來代替，算術(shù)平均值表示為：3T2oT2iT （T1i - T1o） +（ T2o - T2i）2由于冷流體間的傳熱既符合熱量平衡方程，又符合傳熱速率方程，因此有下列關(guān)系G（T2o-）=2 c2T2 iKF T整理后得T2 oKFTT2iG2c2,.從

12、上式可以看出， 在傳熱面積 F、冷流體進口流量 G 2 、溫度 T2i 和比熱容 c2 一定的情況下，影響冷流體出口溫度的因素主要是傳熱系數(shù) K 以及平均溫差 T 。2.7調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)器的作用是對來自變送器的測量信號與給定值比較所產(chǎn)生的偏差e(t)進行比例 (P)、比例積分 (PI)、比例微分 (PD)或比例積分微分 (PID) 運算，并輸出信號到執(zhí)行器。選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是為了使調(diào)節(jié)器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設計的系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝對控制質(zhì)量指標的要求。比例控制規(guī)律 (P)是一種最基本的控制規(guī)律，其適用范圍很廣。在一般情況下控制質(zhì)量較高，但最后有余差。對于過程控制

13、通道容量較大，純時延較小，負荷變化不大，工藝要求又不太高的場合，可選用比例控制作用。比例控制規(guī)律 (P)的微分方程數(shù)學模型為：u(t )k pe(t )比例積分 (PI) 控制規(guī)律，結(jié)合了比例控制反應快， 積分控制能消除余差。 但是當過程控制通道的純時延和容量時延都較大時， 由于積分作用容易引起較大的超調(diào)， 可能出現(xiàn)持續(xù)振蕩，所以要盡可能避免用比例積分控制規(guī)律，不然會降低控制質(zhì)量。通常對管道內(nèi)的流量或壓力控制，采用比例積分作用其效果甚好，所以應用較多。比例積分 (PI) 控制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為：1u( t)k p e (t )Tite (t )d t0比例微分 (PD)控制規(guī)律，由于引入

14、微分，具有超前作用，對于被控過程具有較大容量時延的場合，會大大改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量。但是對于時延很小，擾動頻繁的系統(tǒng)，由于微分作用會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴重時會使系統(tǒng)發(fā)生事故，所以應盡可能不用微分作用。比例微分 (PD)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為：k p e(t )de(t )u(t )T d dt比例積分微分 (PID) 作用是一種理想的控制作用，一般均能適應不同的過程特性。當要求控制質(zhì)量較高時，可選用這種控制作用的調(diào)節(jié)器。比例積分微分 (PID) 控制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為：1tde(t)u(t ) k p e(t )e(t) dtT d dtTi0,.其中： u(t ) ：為調(diào)節(jié)器的輸出號

15、k p ：放大倍數(shù)T i ：積分時間常數(shù)T d ：微分時間常數(shù)e(t) ：設定值與測量值偏差信號通過以上幾種調(diào)節(jié)規(guī)律的分析及本系統(tǒng)是溫度控制為被控參數(shù)，溫度檢測本身具有滯后性，為了彌補這個缺點，本系統(tǒng)選用比例積分微分(PID)控制規(guī)律。3、過程檢測控制儀表的選用3.1測溫元件及變送器根據(jù)生產(chǎn)實踐和現(xiàn)場使用條件以及儀表的性能，我們選用普通熱電偶測溫儀表。熱電偶溫度儀表是基于熱電效應原理制成的測溫儀器，它由熱電偶、電測儀表和連接導線組成，其核心元件是熱電偶。熱電偶溫度計有以下特點：測溫精度高、性能穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，產(chǎn)品互換性好；將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，便于信號遠傳和實現(xiàn)多點切換測量；測溫范

16、圍廣，可達 -2002000；形式多樣，適用于多種測溫條件；被控溫度在 500以下，由 1表 3-5 選用鉑熱電阻溫度計，為了提高檢測精度，應采用三線制接法，并配用 DDZ-型熱電偶溫度變送器。DDZ-型熱電偶溫度變送器主要性能指標如下：測量范圍最小量程 3mV，最大量程 60mV；零點遷移 -50+50mV?；菊`差0.5%溫度特性環(huán)境溫度每變化25，附加誤差不超過千分之五。恒流性能當負載電阻在0100范圍變化時，附加誤差不超過千分之五。防爆指標結(jié)構(gòu)為安全火花型；防爆等級為He；防爆額定電壓為220V AC/DC。其優(yōu)點有以下幾點：,.采用了低漂移、 高增益的線性集成電路， 提高了儀表的可靠

17、性、 穩(wěn)定性和各項性能指標。在熱電偶溫度變送器中用線性化電路，使變送器輸出信號與被測溫度信號保持了線性關(guān)系。線路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全柵的功能。3.2執(zhí)行器根據(jù)生產(chǎn)工藝原則以及被控介質(zhì)特點，選用電動執(zhí)行器。電動執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)（閥體）兩部分組成。電動執(zhí)行機構(gòu)又可分為角行程（DKJ型）和直行程（ DKZ型）兩種，原理和電路原理完全相同，只是輸出機械傳動部分有所區(qū)別。按照特性不同，電動執(zhí)行機構(gòu)可分為比例式和積分式。根據(jù)工藝條件及流體特性，我選用直行程（DKZ 型）比例式電動執(zhí)行器，其輸出直線位移與輸入電流信號成正比。DKZ 系列直行程電動執(zhí)行器是由DKZ直行程電動執(zhí)行機構(gòu)與直

18、通單座調(diào)節(jié)閥或直通雙座調(diào)節(jié)閥組裝而成的，具有推力大、定位精度高、反應速度快、滯后時間少、能源消耗低、安裝方便、供電簡便、在電源突然斷電時能自動保持調(diào)節(jié)閥原來的位置等特點。DKZ系列直行程電動執(zhí)行器主要技術(shù)參數(shù)輸入信號010mA.DC、420mA.DC輸入電阻200 （型）、 250（型）輸入通道3 個隔離通道基本誤差2.5%回差1.5死區(qū)3%（ 13%可調(diào)）純滯后1s電源電壓220V.AC、 50Hz環(huán)境溫度執(zhí)行機構(gòu)-10+55 使用環(huán)境條件95%相對溫度執(zhí)行機構(gòu)型號規(guī)格表,.機座號型號出軸推力（ N）出行程（ mm）全程時間（ s）DKZ-310C10840001612.5DKZ-310BC

19、2520DKZ-410C64004032DKZ-410BC6048DKZ-510C16006037DKZ-510BC10062流體流經(jīng)閥體是的阻力損失為局部阻力損失，所以對不可壓縮流體而言，流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時的阻力損失為2p1-p2pvg2g式中調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)；流過閥的流體平均流速；p1 閥前壓力；p2 閥后壓力；閥體體積流量 qV ，接管截面積為 A，則qVA（）qVAA 2 p1-p2由該式可見，在調(diào)節(jié)閥口徑一定，p/也不變的情況下，流量q V 僅隨阻力系數(shù)的變化而變化。當移動閥芯使開度改變時，阻力系數(shù)也隨之變化，從而改變了流量 qV 的大小，達到了調(diào)節(jié)流量的目的。3.3調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器又稱控

20、制器，是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測量值和規(guī)定的參數(shù)值相比較后，得出被調(diào)量的偏差，再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，從而推動執(zhí)行器工作，對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)。,.目前在中國工業(yè)上廣泛應用的DDZ-型電動調(diào)節(jié)儀表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先進可靠的防爆結(jié)構(gòu)。選用DTZ-2100 型全刻度指示調(diào)節(jié)器DTZ-2100 型全刻度指示調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)輸入信號15V.DC內(nèi)給定信號15V.DC外給定信號420mA.DC調(diào)節(jié)作用（比例 +積分 +微分）比例帶： 2500%積分時間： 0.012.5分微分時間： 0.0410分（可切除）輸入、給定指示表指示范圍： 0100%

21、，誤差：1%輸出指示表指示范圍： 0100%，誤差：25%輸出信號420mA.DC負載電阻250750工作條件環(huán)境溫度： 045工作振動：頻率25Hz3.4 、儀表型號清單列表儀表型號清單元件型號輸入信號范圍數(shù)量熱電偶溫度變送器SBWR/Z360mV1執(zhí)行器DKZ420mA.DC1調(diào)節(jié)器DTZ-210015V.DC1,.4、系統(tǒng)方框圖根據(jù)換熱器出口溫度單回路控制方案圖可得方塊圖如下：換熱器出口溫度單回路控制圖5、調(diào)節(jié)控制參數(shù)，進行參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真，分析系統(tǒng)性能5.1 調(diào)節(jié)控制參數(shù)1. 變送測量環(huán)節(jié)可用一階環(huán)節(jié)來近似表示：K m1Gm (s)s 1Tm s 1式中，與測量儀表的量程有關(guān)； 0

22、為流量測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，單位為分(min) 。在實際過程中這些參數(shù)基本不變。假設有=10%/（T/hr ）2. 假設執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）為近似線性閥，其動態(tài)滯后忽略不計，而且Gv (s)fv (s)1K vu( s)3.對于該控制系統(tǒng)，假設控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為,.G pcT (s)K pep s1e(s)Tp s 12s 1fv (s)；T ( s)K d1G pd ( s)R( s)調(diào)節(jié)器選定 PID 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（ ）1（ ）G c s =K p 1（ ） TD s T1 s5式中 K p 為比例系數(shù)； T1 為積分時間； TD 為微分時間。為使系統(tǒng)獲得良好的控制品質(zhì)，需要確定 PID 控制器的一些參數(shù)，而這些參數(shù)很難由計算獲得，需要通過實驗采用飛升曲線確定該對象慣性時間和純滯后時間。由傳函的出各參數(shù)的關(guān)系如下式：1KpKdKpTiTd；Ki ；Kp 。5.2 PID 參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真PID 參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp、積分時間 Ti 和微分時間 T